電力電子課程設計脈寬調制技術

1、 目 錄第1章 概述 2 第2章 方案確定及分析 42.1 主電路 42.2 控制電路 52.3 保護電路62.4 開關穩(wěn)壓電源各輸出點相關波形7第3章 主電路設計93.1 整流電路設計 93.2 輸出濾波電流設計 93.3 高頻變壓器的設計103.4 保護電路的設計12第4章 控制電路設計 134.1 芯片的選擇134.2 芯片的工作原理154.3 電路的工作原理164.4 本電路的特點分析17第5章 總結 19附錄 20 參考文獻 21第1章 概述 電源裝置是電力電子技術應用的一個重要領域。其中高頻開關式直流穩(wěn)壓電源由于具有效率高，體積小和重量輕等突出優(yōu)點，故獲得了廣泛得應用。本文所述得開

2、關電源為電流控制型開關電源，是一個電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有很強的實用價值。開關穩(wěn)壓電源被譽為 “新型高效節(jié)能電源”，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向。由于內(nèi)部器件工作在高頻開關狀態(tài)，因此本身消耗的能量極低，電源效率可以達到80%以上，比串連調整線性穩(wěn)壓電源的效率提高近一倍。隨著電源技術的飛速發(fā)展，開關穩(wěn)壓電源正朝著小型化、高頻化、集成化的方向發(fā)展，高效率的開關穩(wěn)壓電源已得到越來越廣泛的 應用。本文首先概述開關穩(wěn)壓電源的基本工作原理，接著介紹電流型脈寬調制器uc3842芯片，著重論述了uc3842在開關穩(wěn)壓電源中的應用，并以一個實際應用實例分析了電源電路的構成和參數(shù)計算。 系統(tǒng)組成： 此電路由中

3、r2 、( c2 +c4 )構成啟動電路，在( c2 +c4 )上電壓超過15v時電路啟動，然后由ns2 、d2 、c4構成的自饋電電路供電，啟動電流小于1ma，正常工作電流15ma左右。高頻變壓器和功率開關管器件均接有緩沖器rcd電路，用于吸收尖峰電壓，防止開關晶體管的損壞。rs上電壓控制了當前工作周波電流峰值。vcc電壓除作為芯片工作電壓外，也是電壓閉環(huán)的信號電壓。 該電路使用了芯片uc3842、橋式整流電路、高頻變壓器以及大功率晶體管構成的電流控制型脈寬調制開關穩(wěn)壓電源，這種新型的控制方式使得開關電源同時具有很高的電壓調整率和負載調整率。 其工作原理為：220v的交流電經(jīng)過橋式整流電路、

4、濾波電路得到一直流電壓，再由大功率晶體管不斷的導通和關斷對直流電壓斬波和高頻變壓器t2的降壓作用 得到頻率為幾十khz的矩形波電壓，然后經(jīng)整流濾波后得直流輸出電壓，其中高頻變壓器t2的自饋線圈ns2中感應的直流電壓反饋到誤差放大器并和基準電壓 比較得到誤差電壓vr，初級線圈中流過的電流在取樣電阻025 上建立的直流電壓反饋到電流測定比較器的同相輸入端并和誤差電壓vr相比較，從而產(chǎn)生脈沖寬度可調的驅動信號，使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而 變化，輸出電壓穩(wěn)定在某個固定的數(shù)值。 比如，當由于電源電壓變化或負載變化而引起輸出電壓降低時，則脈寬調制器會相應的增大輸出pwm波形的占空比，使大功率晶

5、體管導通的時間變長；反之，當由于電源電壓變化或負載變化而引起輸出電壓升高時，則脈寬調制器會相應的減小pwm波形的占空比，使大功率晶體管導通的時間變短，從而維持輸出電壓 為一恒定值。 第2章 方案確定及分析2.1主電路電源開關從電源端接入的一般是220v交流電，而我們實際是要經(jīng)過開關電源得到一個穩(wěn)定的直流輸出電壓，因此在主電路中，不可或缺的部分是整流，在整流中橋式電路應用廣泛。為了后面輸出電壓大小可調，所以在橋式整流之前，先接入一級滑動變阻器。然而整流之后的直流電壓并不是一個穩(wěn)定值，而是一個不斷變化的值，為了使整流電壓更趨穩(wěn)定，在整流橋的后面并聯(lián)一個濾波電容。sg6841與其他pwm控制器的內(nèi)部

6、結構基本相同，都由偏壓源、電流和電壓比較器、pwm產(chǎn)生電路、驅動器電路、保護電路等部分組成。不同的是：該器件的振蕩器受綠色模式控制器控制，開關電源空載和輕載時，電流取樣信號降低，綠色模式控制器使振蕩器工作頻率降低。sg6841內(nèi)部產(chǎn)生的脈寬調制信號還受功率限制控制器控制。開關電源輸出功率較大時，電流取樣信號電壓過大，該信號通過功率限制控制器，可以改變pwm輸出脈沖的占空比從而控制輸出功率。功率限制控制器還可以控制內(nèi)部偏壓，輸出功率過大時，功率限制控制器還可切斷內(nèi)部偏置電源，從而使內(nèi)部電路停止工作。應當注意sg6840除了無功率限制控制器外，其他與sg6841完全相同。它具有如下功能、起動電流和

7、工作電流、綠色工作模式、振蕩器頻率、電流檢測及pwm電流限制、脈沖前沿消隱、欠壓鎖定輸出驅動軟起動、同步斜坡補償、恒定輸出功率限制以及過熱保護等作用。主電路中要求一個能控制整流電壓在控制端輸出地芯片，由于uc3842是目前流行的電流型pwm信號發(fā)生器，具有精度高、電壓穩(wěn)定、外圍電路簡單、價格低廉等優(yōu)點，廣泛應用在輸出電壓范圍是4.95.1v、功率為2060w的小型功率開關電源中。 電流控制型脈寬調制器能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可以調節(jié)的驅動信號，控制大功率晶體管的通斷狀態(tài)來調節(jié)輸出電壓的高低，達到穩(wěn)壓目的，鋸齒波發(fā)生器提供恒定的時鐘頻率信號，利用誤差放大器和電流測定比較器形成電壓閉環(huán)，利用電流測

8、定、電流測定比較器構成電流閉環(huán)，在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感電流的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節(jié)驅動信號的占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化，如果由于某種原因使輸出電壓升高時，脈寬調制器就會改變驅動信號的脈沖寬度，亦即占空比d，使斬波后的平均值電壓下降，從而達到穩(wěn)壓目的，反之亦然。具體芯片各個管腳功能下章詳細解說。 由uc3842產(chǎn)生的鋸齒波經(jīng)過斬波后產(chǎn)生的方波通過控制三極管的通斷，控制經(jīng)整流后的電壓通過一個變壓器控制控制電路（其中變壓器的原線圈接整流端輸出電壓，副線圈接控制電路），以達到經(jīng)過變壓器后的電壓能夠有效地隔離主從電路，防止控制電路中的諧波干擾電網(wǎng)

9、。2.2 控制電路 控制電路經(jīng)過變壓器有效地隔離，為了確保得到的是直流電壓，在控制器的輸出端加入了一個二極管。同時電容的引入使得到的電壓趨于穩(wěn)定。通過調節(jié)控制端的滑動變阻器，可以得到所需的大小趨于穩(wěn)定的直流電壓。利用uc3842設計的電流制型脈寬調制開關穩(wěn)壓電源，克服了電壓控制型脈寬調制開關穩(wěn)壓電源頻響慢、電壓調整率和負載調整率低的缺點，電路結構簡單，成本低、體積小、易實現(xiàn)。該穩(wěn)壓電源是目前實用和 理想的穩(wěn)壓電源，具有很大的發(fā)展前景。2.3 保護電路2.3.1電流保護 通過三極管vt，使電流經(jīng)過電阻后回到uc3842的3管腳，而管腳isen是電流傳感端。在外圍電路中，在功率開關管(如vmos管

10、)的源極串接一個小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉換成電壓，此電壓送入3腳，控制脈寬。此外，當電源電壓異常時，功率開關管的電流增大，當取樣電阻上的電壓超過1v時，uc3842就停止輸出，有效地保護了功率開關管。 2.3.2 電壓保護 通過加一級電感，感應副線圈的電壓量，如下圖所示，線圈的一端接地，此時就可以得到副線圈的感應電壓，此電壓經(jīng)過uc3842的2管腳，1腳comp是內(nèi)部誤差放大器的輸出端，通常此腳與2腳之間接有反饋網(wǎng)絡，以確定誤差放大器的增益和頻響，2腳vfb是反饋電壓輸入端，將采樣電壓加到誤差放大器的反相輸入端，此腳與內(nèi)部誤差放大器同向輸入端的基準電壓(一般為+2.5v)進行比較

11、，產(chǎn)生控制電壓，控制脈沖的寬度。通過這種方式控制電路的過壓和欠壓保護。 工作原理框圖設計：穩(wěn)定直流輸出輸出端變壓器電網(wǎng)送入直流送入電壓調整電路整流 濾波變壓 濾波 反饋信號控制 濾波斬波控制uc3842控制電路保護電路脈寬調制pwm調節(jié)pwm脈寬調制器2.4開關穩(wěn)壓電源各輸出點相關波形原副邊繞組電壓波形uc3842 4腳和6腳波形檢測電阻電流波形 第3章 主電路設計3.1 整流電路設計 由交流側220v電壓輸入，由變壓器降壓處理，再經(jīng)過橋式整流后輸出直流電，在變壓器2次則串入一滑動變阻器，由滑動變阻器模擬電壓變化進行調節(jié)，通過分壓，調節(jié)輸入整流橋的電壓，從而改變輸出電壓的大小，在整流橋的后面，

12、并聯(lián)一個濾波電容，由于整流橋所輸出的電壓不是我們嚴格意義上所說的穩(wěn)定的直流電壓，通過濾波電容后可以除去一些交流電使輸出電壓趨于穩(wěn)定的直流。 圖3.1整流電路3.2 輸出整流濾波電路設計 有整流橋經(jīng)濾波電容所得的直流電壓經(jīng)控制電路反饋控制后，通過高頻變壓器送到輸出電路，為了確保所輸出地為標準的直流，在變壓器的副線圈端串入一個二極管。同時，接入一個電容，起穩(wěn)壓的作用，由滑動變阻器來控制輸出電壓的大小。濾波是抑制傳導干擾的一種很好的辦法。例如,在電源輸入端接上濾波器,可以抑制開關電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾,也可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害。在濾波電路中,還采用很多專用的濾波元件,如穿心電容器

13、、三端電容器、鐵氧體磁環(huán),它們能夠改善電路的濾波特性。恰當?shù)卦O計或選擇濾波器,并正確地安裝和使用濾波器,是抗干擾技術的重要組成部分。圖3.2 輸出整流濾波電路3.3 高頻變壓器的設計 高頻變壓器初級線圈的儲能值w，初級線圈、自饋線圈和次級線圈的匝數(shù)n1、n2、n3，需要通過計算求得。為了確保輸出電壓uo的波形質量，防止uo的頂部出現(xiàn)平頂失真，應滿足取，有選用的硅鋼鐵心，截面積為，窗口面積。因為硅鋼片是由鋼片疊加而成，所以實際鐵心截面積為。取變壓器原邊繞組為匝，副邊繞組匝。因此式中為變壓器激磁電流。取導線電流密度，有原邊采用的高強度漆包線單層繞制，副邊采用的高強度漆包線單層繞制。窗口利用系數(shù)，可

14、以繞下。另外我們選擇飽和磁通b=150mt，有效磁芯截面積為1.44cm2的磁性材料來構成高頻變壓器。3.4 保護電路的設計通過電感來感應輸出端的電壓來比較控制，其中的控制包括電流和電壓控制，這里不可避免的涉及到uc3842的各個引腳功能。腳1：輸出/補償，內(nèi)部誤差放大器的輸出端。通常此腳與腳2之間接有反饋網(wǎng)絡，以確定誤差放大器的增益和頻響；腳2：電壓反饋輸入端。此腳與內(nèi)部誤差放大器同向輸入端的基準電壓(一般為+2.5v)進行比較，產(chǎn)生控制電壓，控制脈沖的寬度；通腳3是電流取樣輸入端。在外圍電路中，在功率開關管的源極串接一個小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉換成電壓，此電壓送入腳3，控制脈

15、寬。當功率開關管的電流增大，取樣電阻上的電壓超過1 v時uc3842就停止輸出，有效地保護功率開關管。過uc3842來控制輸出電壓的大小，使輸出電壓穩(wěn)定。反饋電路改用tl43l加光耦來控制。我們都知道放大器用作信號傳輸時都需要傳輸時間，并不是輸出與輸入同時建立。如果把反饋信號接到uc3842的電壓反饋端，則反饋信號需連續(xù)通過兩次高增益誤差放大器，傳輸時間增長。由于tl431本身就是一個高增益的誤差放大器，因此，直接采用腳1做反饋，從uc3842的腳8(基準電壓腳)拉了一個電阻到腳l，腳2通過r18接地。這樣做的好處是，跳過了uc3842的內(nèi)部放大器，從而把反饋信號的傳輸時間縮短了一半，使電源的

16、動態(tài)響應變快。另外，直接控制uc3842的腳l還可簡化系統(tǒng)的頻率補償以及輸出功率小等問題。第4章 控制電路的設計4.1 芯片的選擇 本次課程設計由芯片uc3842產(chǎn)生脈沖，來控制mosfet來實現(xiàn)斬波調壓，它具有管腳數(shù)量少，外圍電路簡單等特點，因而得到了廣泛的應用，這也是本電路的特點。uc3842是美國unitrode公司生產(chǎn)的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調制器芯片，由該集成電路構成的開關穩(wěn)壓電源和電壓控制型脈寬調制開關穩(wěn)壓電源相比具有以下特點：1）管腳數(shù)量少，外圍電路簡單，價格低廉；2）電壓調整率很好；3）負載調整率明顯改善；4）頻響特性好，穩(wěn)定幅度大；5）具有過流限制、過壓保護和欠壓

17、鎖定功能。因此他是目前比較理想的新型的脈寬調制器，其內(nèi)部原理框圖如圖4-1所示。主要特點工作電壓840 v，電流傳感和電壓反饋輸入0.35.5 v誤差放大輸出吸入電流10 ma欠壓鎖存功能占空比可調最高開關頻率500 khz，穩(wěn)定度0.2，電源效率高內(nèi)部有高穩(wěn)定度的基準電壓源5.0 v穩(wěn)定性能好，電壓調整率很容易達到0.01，uc3842是一種單端輸出的峰值電流pwm控制芯片，內(nèi)部結構如圖4.1所示。其內(nèi)部有誤差放大器、pwm調制、鎖存、振蕩時鐘等基本模塊，還有欠壓鎖定、過壓保護、基準電源、低起動電流、電流圖騰輸出等功能。電壓滯環(huán)的起動電壓是16v，關閉電壓是10v，6v的起動與關閉電壓差可有

18、效防止電路在閥值電壓附近工作而引起的振蕩。芯片起動電流1ma，所以，芯片可以對高壓用電阻降壓起動，待起動完成后由饋電繞組供電。補償端接rc網(wǎng)絡來改變誤差放大器的閉環(huán)增益和頻率響應。電流反饋端ucs1v時輸出脈沖關斷，起到逐個脈沖限流保護。時鐘由外接阻容rt和ct決定。 圖4.1 uc3842芯片的內(nèi)部結構圖4.2 芯片的工作原理uc3842為8腳雙列直插式封裝形式，如圖4.2所示，他內(nèi)部主要由50 v基準電壓源、用來精確地控制占空比調定的振蕩器、降壓器、電流測定比較器、pwm鎖存器、高增益ea誤差放大器和適用于驅動功率mosfet的大電流推挽圖4.2 uc3842引腳圖輸出電路等構成。腳1：輸

19、出/補償，內(nèi)部誤差放大器的輸出端。通常此腳與腳2之間接有反饋網(wǎng)絡，以確定誤差放大器的增益和頻響；腳2：電壓反饋輸入端。此腳與內(nèi)部誤差放大器同向輸入端的基準電壓(一般為+2.5v)進行比較，產(chǎn)生控制電壓，控制脈沖的寬度；腳3：電流取樣輸入端。在外圍電路中，在功率開關管的源極串接一個小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉換成電壓，此電壓送入腳3，控制脈寬。當功率開關管的電流增大，取樣電阻上的電壓超過1 v時uc3842就停止輸出，有效地保護功率開關管；腳4：rt/ct。鋸齒波振蕩器外接定時電容c和定時電阻r的公共端；腳5：接地腳；腳6：輸出端。此腳為圖騰柱式輸出，驅動能力是土1 a；腳7：vcc，

20、電源引腳。當開關電源啟動時腳7供電電壓應高于+16 v，若低于+16 v，則uc3842不能啟動，此時耗電在1 ma以下。芯片工作后，vcc由反饋繞組提供，可在+l030 v之間波動，低于+l0 v停止工作，功耗為15 mw； 腳8：uref，基準電壓輸出。此腳可輸出精確的+5 v基準電壓，電流可達50 ma-u2。電流控制型脈寬調制器能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可以調節(jié)的驅動信號，控制大功率晶體管的通斷狀態(tài)來調節(jié)輸出電壓的高低，達到穩(wěn)壓目的，鋸齒波發(fā)生器提供恒定的時鐘頻率信號，利用誤差放大器和電流測定比較器形成電壓閉環(huán)，利用電流測定、電流測定比較器構成電流閉環(huán)，在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出

21、電感電流的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節(jié)驅動信號的占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化，假如由于某種原因使輸出電壓升高時，脈寬調制器就會改變驅動信號的脈沖寬度，亦即占空比d，使斬波后的平均值電壓下降，從而達到穩(wěn)壓目的，反之亦然。4.3 電路工作原理 前面已介紹芯片uc3842、橋式整流電路、高頻變壓器以及大功率晶體管構成的電流控制型脈寬調制開關穩(wěn)壓電源，這種新型的控制方式使得開關電源同時具有很高的電壓調整率和負載調整率。 其工作原理為：220v的交流電經(jīng)過橋式整流電路、濾波電路得到一直流電壓，再由大功率晶體管不斷的導通和關斷對直流電壓斬波和高頻變壓器t2的降壓作用 得到

22、頻率為幾十khz的矩形波電壓，然后經(jīng)整流濾波后得直流輸出電壓，其中高頻變壓器t2的自饋線圈ns2中感應的直流電壓反饋到誤差放大器并和基準電壓 比較得到誤差電壓vr，初級線圈中流過的電流在取樣電阻025 上建立的直流電壓反饋到電流測定比較器的同相輸入端并和誤差電壓vr相比較，從而產(chǎn)生脈沖寬度可調的驅動信號，使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而 變化，輸出電壓穩(wěn)定在某個固定的數(shù)值。 當由于電源電壓變化或負載變化而引起輸出電壓降低時，則脈寬調制器會相應的增大輸出pwm波形的占空比，使大功率晶體管導通的時間變長；反之，當由于電源電壓變化或負載變化而引起輸出電壓升高時，則脈寬調制器會相應的減小pwm波

23、形的占空比，使大功率晶體管導通的時間變短，從而維持輸出電壓為一恒定值。圖4.3 uc3842芯片所構成的控制電路圖4.4 本電路特點分析 此電路由于使用了uc3842脈寬調制器控制，構成的開關電源電路有許多的特點電壓調整率（抗電壓波動能力）很好利用這種型號的調制器具有很強的抗電壓波動的能力。其原因為電壓vs波動立即反映在電感電流的變化上。不像其它方案要經(jīng)過輸出電壓v0反饋到誤差放大器的調節(jié)的復雜過程。所以響應快，如果波動是持續(xù)的，電壓反饋環(huán)也起作用，所以可以達到較高的調整率精度。如圖4.3，當負載變化時，光耦送到反饋端的電壓也變化，實現(xiàn)了與負載之間的緊密跟綜。這樣改善了負載調整率(0.5)。正

24、因采用了光耦隔離反饋，所以工作電壓非常穩(wěn)定，輸出也很穩(wěn)定。4.4.1 有很好的負載調整率 因為誤差放大器e/a可專門用于控制占空比適應負載變化造成的輸出電壓變化，一般調制器在輕在時輸出電壓v0會有一定的升高，使用本調制器可明顯的減小。通過實驗可以看出：從100%的負載卸載2/3時，負載調整率只有8%，卸載1/3時，負載調整率只有3%4.4.2 頻響特性好，穩(wěn)定幅度大由于電感電流是連續(xù)的，所以rs上所檢測的電流峰值能代表平均電流，整個電路可以當成一個誤差電壓控制的電流源。變換器的幅頻特性由雙極點變成單極點，因此增益帶寬乘積提高，穩(wěn)定幅度大，頻率響應特性改善。4.4.3 過流限制特性好從rs上測得

25、的電流峰值信號快速參與當前工作周波的占空比控制，因此是當前工作周波的電流限制。事實上只要rs的電平達到1v，電流測定比較器立即動作，輸出端6立即使功率場效應管vt關斷。由于能精確地靈敏地限制最大輸出電流，高頻變壓器功耗，功率場效應管的功耗都可以大幅度的減小，因此，對整個開關電源的成本、重量、體積都將有很好的改進。4.4.4 具有過壓保護和欠壓鎖定功能當工作電壓大于34v時穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，使內(nèi)部電路在小于34v的電壓下可靠工作。uc3842控制器設有欠壓鎖定電路，其開啟閾值為16v，關閉閾值為10v。正因如此，可有效地防止電路在閾值電壓附近工作時的振蕩。 第5章 總結為期兩個星期的電力電子課程設計結束了，從中學到了很多。這次的課設主要在強電中運用，不像單片機等那些課題一樣，剛開始比較難摸索，后來通過老師的精心講解，開始有了頭緒，著手在設計中更加感覺到這次課設的重要性。這次設計所用的元件都是一些特別的控件，有全控、半控型器件。在這段時間里，通過上網(wǎng)查資料以及請教老師，總結出這次